Počítač, to není jen krabice na stole, ale spíše abstraktní idea systému, který zpracovává nějaké informace. Na vstupu vezme data, nějak je přechroustá a předloží výsledek. Mohou tak existovat i počítače postavené na úplně jiných principech, než ty dnes běžně používané.
Zatímco o některých z netradičních počítačů (DNA počítače, kvantové či mechanické počítače) se tu a tam lze přece jen dočíst, jiné mohou být ještě podstatně fantastičtější a bizarnější. Společné mají to, že by teoreticky sice měly (nebo alespoň mohly) fungovat, to ale neznamená, že se je kdy podaří nasadit do praktického provozu. Může tomu zabránit leccos: konkrétní fyzikální vlastnosti, historická náhoda nebo třeba cena technologie. Ani úspěšné „netradiční počítače“ zřejmě nedojdou všeobecného rozšíření, ale uplatní se jen ve speciálních případech.
Již od starověku…
Příběh mechanického počítače, který se v 1. polovině 19. století neúspěšně pokusil sestrojit anglický vynálezce Charles Babbage (1791-1871), je poměrně známý.
Již od starověku existovaly systémy, které třeba k výpočtům pohybu nebeských těles používaly soustavy ozubených koleček (známý je zejména strojek nalezený ve vraku u ostrova Antikythéra nedaleko Kréty).
Ve středověku se objevily i myšlenky mechanických strojů, které by dokázaly odpovídat na obecnější otázky. A zhruba od 17. století se začaly stavět mechanické kalkulátory, které zvládaly základní početní operace.
Zradila ho litina
Babbage šel ovšem dál. Jeho ideou byl skutečně univerzální počítač moderního střihu, zpracovávající nikoliv jen jednoduché výpočty, ale i abstraktní instrukce. Řídící program měl být napsán na proděravělých kartách (obdoba pozdějších děrných štítků), jeho provádění by odpovídalo točení do sebe zapadajících ozubených válečků, přičemž vše by poháněla pára. Koncepce to byla smělá, nicméně funkční prototyp se Babbagovi nikdy sestrojit nepodařilo.
Hlavním důvodem neúspěchu byly zřejmě tehdejší technologie zpracování litiny. V 1. polovině 19. století totiž nebylo možné sestrojit ozubené válce, které by do sebe zapadaly s potřebnou přesností. Teprve v 60. letech 20. století se podle Babbagových nákresů podařilo postavit fungují počítač, to už šlo ovšem spíše o kuriozitu, protože budoucnost patřila systémům elektromagnetickým.
A jak by to dopadlo, kdyby se Babbagovi přece jen podařilo jeho záměr uskutečnit? Urychlil by se snad vývoj vědy a techniky o zhruba století? To už je samozřejmě námět pro scifi literaturu.
Samotná idea mechanického počítače nicméně úplně mrtvá není. Částečnou renesanci by mohla najít v podobě technologií MEMS (mikroelektromechanické systémy).
DNA hledá nejkratší cestu
Myšlenka DNA počítačů pochází z poloviny 90. let 20. století. DNA počítače trochu připomínají ty mechanické – schopnost sobě odpovídajících kousků DNA se na sebe vázat do dvojitého řetězce je vědcům dobře známa, před cca 20 lety se však podařilo prakticky ukázat, jak tohle chování může reprezentovat výpočty.
Zjistilo se, že DNA počítače mají oproti těm elektromagnetickým určité výhody. Výpočet lze realizovat tím, že do zkumavky nasypeme velké množství molekul DNA, takže se pravděpodobně stihnou současně vytvořit veškeré možné kombinace, a naším úkolem pak už je jen řešení nějak „vytáhnout“. DNA by kromě toho mohla být použitelná i jako paměťové médium se značnou hustotou uložených informací.
Propagátor DNA počítačů, americký profesor Leonard Adleman předvedl schopnosti DNA počítačů na řešení tzv. úlohy obchodního cestujícího. V této úloze hledáme nejkratší cestu, která propojuje body zadané mapy. Pokud se nám nějak podaří docílit toho, aby se v roztoku DNA vytvořily řetězce reprezentující veškeré možné spojnice, nejkratší cesta bude odpovídat nejmenší molekule (a taková bude například nejlehčí). Od té doby bylo využití DNA počítačů předvedeno i pro řešení řady dalších úloh.
Nicméně nástupu DNA počítačů stojí v cestě celá řada překážek. Například zkumavky a baňky, kde se míchá DNA, jsou s dalšími systémy podstatně hůře propojitelné než křemíkový čip. Dnes se tedy zdá, že DNA počítače představují spíše jednu z větví nanotechnologie a budou základem „strojků“, které se uplatní v živých organismech. Mohou například lapat různé patogeny a řídit syntézu dalších látek (špičkou výzkumu na tomto poli je Izrael). Ale i k tomu je cesta ještě poměrně dlouhá.
Počítání po kvantech
Mezi netradičními přístupy k informatice je kvantový počítač přístupem bezpochyby nejzáhadnějším. V souvislosti s kvantovými počítači se lze setkat s celou řadou dosti zvláštních tvrzení, třeba že systém se nachází ve více stavech současně (respektive v jakési jejich kombinaci), eventuálně že jednotlivé větve výpočtu dokonce probíhají v paralelních vesmírech.
Asi nejjednodušší bude příliš se nepokoušet rozumět vnitřním detailům jeho uspořádání. Ostatně i nositel Nobelovy ceny za fyziku (1965) Američan Richard Feynman, který s myšlenkou kvantového počítače přišel jako první, připustil, že fungování kvantového světa si představit tak jako tak nedokážeme. Podivné vlastnosti kvantových objektů mohou ale každopádně za určitých podmínek fungovat. Takové výpočty by byly extrémně rychlé, kdyby se ovšem podařilo postavit kvantové počítače větší než několik částic, a kdyby se také někdo znal způsob, jak do nich výpočet zakódovat. Účinných algoritmů pro kvantové počítače zatím existuje jen několik.
Další spojení kvantové fyziky a počítačů, tzv. kvantová kryptografie, nemá s kvantovými počítači žádnou bezprostřední souvislost. U kvantové kryptografie, která umožňuje uskutečnit neprolomitelné šifrování, vědci o praktickém využití nijak zvlášť nepochybují a v několika případech je již realitou.
Systém mýdlových bublin
Velice půvabnou kuriozitu představuje postup, při němž se některé matematické problémy řeší pomocí mýdlových bublin. Konkrétně jde o nalezení nejkratší cesty spojující zadané body. Problém lze v tomto případě řešit tak, že si připravíme dvě stejné desky s body v podobě výstupků. Desky potom přiložíme k sobě a foukneme mezi ně mýdlovou pěnu. Dostaneme mýdlovou blánu, která odpovídá nejkratším spojnicím.
Asi nikdo dnes neuvažuje o tom, že by se reálné úlohy tohoto typu s mnoha body řešily pomocí bublifuku, nicméně samotný princip je elegantní. Pokud je tedy obtížné něco spočítat, stačí najít v přírodě systém, který se příslušným způsobem chová, a nechat ho „počítat“ za nás.
Počítání v černé díře
Asi nejkurióznější možností provádění výpočtů představuje počítání prostřednictvím černých děr. Výstupem takového počítače může být jen to jediné co černá díra vydává, záření objevené britským matematikem a fyzikem Stephenem Hawkingem.
Celý koncept je ovšem zatím poměrně nejasný, protože například neexistuje ani shoda na tom, zda záření černé díry nějak odpovídá druhu hmoty, kterou černá díra pohltila. To je přitom zcela nezbytné, protože u počítače nesmí být výstup náhodný, ale musí nějak odpovídat vstupu, který bychom zakódovali do určité struktury částic a tu vrhli do černé díry.
Myšlenka černé díry jako počítače se sice již dočkala publikování ve vědeckých časopisech, je ale prozatím zcela teoretická. Nikdo neví, jak by to konkrétně mělo fungovat.
Jak pracuje lidský mozek?
O tom, že lidský mozek je „něco jako počítač“, asi není příliš pochyb. Konec konců se jedná o systém, který zpracovává informace. Otázkou zůstává, jak daleko paralela mozku jako počítače sahá. Tím však otázky nekončí. Byl by to počítač spíše sériový, nebo paralelní? Digitální, nebo analogový?
Ke všem těmto problémům existuje řada dílčích odpovědí, které ovšem vyvolávají zase další otázky. Tak například je jasné, že v lidském mozku probíhá paralelně celá řada procesů, současně ale své vědomí vnímáme jako sled po sobě jdoucích okamžiků (tedy sériově). Chování neuronů je digitální (neuron buď vyšle signál dál, nebo nevyšle), jiné procesy související se zpracováním informace v mozku jsou zas ale spíše analogové…
Britský fyzik a spolupracovník Stephena Hawkinga Roger Penrose přišel s myšlenkou, že by se v mozku mohly nějak uplatňovat i principy počítačů kvantových. Většina odborníků ovšem tento směr úvah nepokládá za perspektivní.
Je vesmír také počítač?
Myšlenka, že celý vesmír je čímsi na způsob gigantického počítače, připomíná spíše filmy typu Matrix než solidní vědecké teorie. Skutečnost, že se těmito teoriemi zabývají světové vědecké kapacity, ale zas představuje určitou záruku jejich solidnosti.
Například amerického fyzika Setha Loyda přivedl k této myšlence fakt, že libovolný fyzikální proces můžeme chápat jako realizaci výpočtu. Potom si lze dále hrát s čísly, počítat, jakou by měl náš vesmír výpočetní kapacitu za jednotku času, jakou má paměť či co všechno by šlo vypočítat od velkého třesku. Hlavní problém je samozřejmě v testovatelnosti takovéhle hypotézy. Jaké by z ní vlastně měly vyplývat experimentálně ověřitelné skutečnosti?
Co jsou to spinová skla?
Spinová skla jsou slitinami kovů (například železa s manganem), které mají různé magnetické vlastnosti. Z toho pak vyplývá i zvláštní chování těchto látek. Některé kovy mají tendenci uspořádat své magnetické dipóly souhlasně (feromagnetické látky), jiné naopak tak, aby se vzájemně vyrušily (antiferomagnetické látky).
U slitiny dvou takových kovů je pak velice obtížné určit, jaké uspořádání je vlastně „nejvýhodnější“. Jediná bodová změna může totiž změnit natočení magnetických dipólů v celé slitině. Spočítat rovnovážný stav spinového skla proto představuje výpočetně velice náročný problém.
Spinové sklo jako takové si s tím vším ovšem poradit umí a nějak se vždy uspořádá. Odtud je pak už jen krůček k myšlence zkusit převést jiný matematický problém na otázku struktury spinového skla. Pak připravíme odpovídající spinové sklo a změříme jeho uspořádání, které bude odpovídat i řešení naší původní úlohy.
V tuhle chvíli ale není jasné, jak zadání úlohy konkrétně namíchat do nějakého spinového skla a jak pak z uspořádání slitiny odečíst výsledek. Idea tedy zatím zůstává v oblasti čiré teorie. Prostřednictvím spinového skla nic spočítat nepodařilo!
